PSO-BP-PID算法在雙容水箱系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊華偉，帕孜來(lái)·馬合木提，張毅

（1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國(guó)家電網(wǎng)吐魯番供電公司，新疆 吐魯番 838000）

PSO-BP-PID算法在雙容水箱系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊華偉1，帕孜來(lái)·馬合木提1，張毅2

（1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國(guó)家電網(wǎng)吐魯番供電公司，新疆 吐魯番 838000）

針對(duì)工業(yè)中對(duì)液位控制的要求，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器與設(shè)備，設(shè)計(jì)了雙容水箱控制系統(tǒng)。以研華工控機(jī)與EFAT/P過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置為平臺(tái)，分別從硬件與軟件2部分詳述了控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)了控制算法的設(shè)計(jì)，利用MCGS組態(tài)軟件建立了實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，完成了實(shí)際控制系統(tǒng)的搭建，分析比較了傳統(tǒng)PID和PSO-BP-PID算法控制效果的優(yōu)劣。為液位控制系統(tǒng)的研究提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。

雙容水箱；液位控制；PSO-BP-PID算法；傳統(tǒng)PID算法；精準(zhǔn)控制

在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，諸如化工生產(chǎn)、溶液過(guò)濾、飲料加工及化妝品制造等復(fù)雜的液位系統(tǒng)中，常規(guī)PID控制方法控制效果欠佳，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及國(guó)民的生產(chǎn)生活?；诮鉀Q雙容液位精準(zhǔn)控制問(wèn)題的迫切性與必要性，提出設(shè)計(jì)PSO-BP-PID控制器［1］來(lái)完成雙容水箱液位系統(tǒng)精準(zhǔn)控制的控制策略。首先將常規(guī)PID控制器應(yīng)用于雙容水箱液位系統(tǒng)中，然后將PSO-BP-PID控制器應(yīng)用于雙容水箱液位控制中，最后比較二者的控制效果，從而選出更適合于復(fù)雜液位控制現(xiàn)場(chǎng)的控制器策略。

1 PID控制算法應(yīng)用

通過(guò)臨界比例度法［2］對(duì)控制系統(tǒng)PID參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，即AI儀表［3-4］的P，I，D參數(shù)可得常規(guī)PID算法下的雙容水箱液位控制曲線如圖1所示，放大圖圖2所示。

由圖2可知，系統(tǒng)的設(shè)定值SV=140 mm時(shí)，最大波動(dòng)值max=139 mm，最小波動(dòng)值min=135 mm。設(shè)定值為SV=160 mm時(shí)，最大波動(dòng)值max= 162 mm，最小波動(dòng)值為min=157 mm，調(diào)節(jié)時(shí)間ts=360 s。

圖1 常規(guī)PID算法運(yùn)行效果圖Fig.1 Operation graph of conventional PID algorithm

圖2 常規(guī)PID算法運(yùn)行效果放大圖Fig.2 Amplified operation graph of conventional PID algorithm

2 PSO-BP-PID控制算法的應(yīng)用

PSO-BP-PID算法［5-6］在雙容水箱系統(tǒng)中主要包括硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)2部分。系統(tǒng)硬件部分包括變頻器、三相水泵、AI儀表和ADAM5000E數(shù)據(jù)采集模塊，其主要設(shè)計(jì)工作在于完成現(xiàn)場(chǎng)液位信息的實(shí)時(shí)采集和傳送。軟件部分包括有MCGS，Matlab和Visual Basic（VB），其設(shè)計(jì)工作在于完成MCGS的高級(jí)開發(fā)［7］，即利用MCGS組態(tài)軟件的可擴(kuò)充性，使MCGS能夠調(diào)用由VB生成的PSO-BP-PID算法控件的過(guò)程，目的是將PSO-BP-PID算法應(yīng)用于MCGS組態(tài)軟件中去。并最終通過(guò)這兩部分的結(jié)合達(dá)到雙容水箱系統(tǒng)液位的精準(zhǔn)控制。

2.1 硬件設(shè)計(jì)部分

PSO-BP-PID控制算法的雙容水箱系統(tǒng)其控制器是Matlab中經(jīng)PSO優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法［8］。因此控制過(guò)程中的參數(shù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)地采集和傳送給工控機(jī)，以便使控制算法中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，從而訓(xùn)練求得合適的PID控制量，作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到滿意的控制效果。此數(shù)據(jù)采集和傳送工作由ADAM-5017和ADAM-5024模塊共同來(lái)完成。整個(gè)系統(tǒng)電氣接線圖如圖3所示。

圖3 電氣接線圖Fig.3 Electric wiring diagram

按照?qǐng)D3把過(guò)程信號(hào)分別與智能儀表和ADAM5000E連接。其中，智能調(diào)節(jié)儀1連接高位水箱，目的是為高位水箱設(shè)定液位給定值。同時(shí)，參照變頻器接線圖［3］，把與變頻器相連的智能調(diào)節(jié)儀1的輸出與交流變頻器實(shí)驗(yàn)板的AD輸入端子連接。為了對(duì)鍋爐液位實(shí)際值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將鍋爐液位信號(hào)連接至ADAM-5017模擬量輸入模塊的通道1；同時(shí)，為了控制鍋爐液位值為一定高度，將進(jìn)出水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥分別連接ADAM-5024模擬量輸出模塊的通道1和2。

正確連接所使用的儀表、智能模塊與設(shè)備電源線后，整個(gè)系統(tǒng)的控制過(guò)程為:由壓力變送器檢測(cè)到的鍋爐液位的4～20 mA信號(hào)送入ADAM-5017模擬量輸入模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳入到工控機(jī)，工控機(jī)經(jīng)內(nèi)部PSO-BP-PID算法得出最終的PID控制量，此量經(jīng)ADAM-5024模擬量輸出模塊輸出，以完成對(duì)執(zhí)行器出水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度的控制，最終使液位保持在設(shè)定的高度。

2.2 軟件設(shè)計(jì)部分

硬件連接完成后，在MCGS中分別添加ADAM-5017和ADAM-5024模塊，并分別設(shè)置其最小采集周期、母版地址與母板槽號(hào)，然后對(duì)其添加通訊狀態(tài)和測(cè)量值。在接通DC 24 V電源的情況下，打開ADAM-4000 5000-UTILITY軟件［9］對(duì)ADAM5000E模塊進(jìn)行配置與測(cè)試。最后按照“MCGS高級(jí)開發(fā)向?qū)е改稀痹贛CGS中完成用戶功能構(gòu)件“PSO-BP整定PID”的編制、調(diào)試和掛接工作［10-11］。至此，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)部分完成。

2.3 PSO-BP-PID算法運(yùn)行結(jié)果

硬件和軟件設(shè)計(jì)工作分別完成后，打開“雙容水箱液位系統(tǒng)”組態(tài)畫面，點(diǎn)擊運(yùn)行，系統(tǒng)調(diào)用“PSO-BP-PID”策略構(gòu)件后，基于PSO-BP-PID算法的系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖4所示，放大圖如圖5所示。

圖4 PSO-BP-PID算法運(yùn)行效果圖Fig.4 Operation graph of conventional PSO-BP-PID algorithm

圖5 PSO-BP-PID算法運(yùn)行效果放大圖Fig.5 Amplified operation graph of conventional PSO-BP-PID algorithm

由圖5可知，當(dāng)設(shè)定值SV=140 mm時(shí)，液位最大波動(dòng)max=141 mm，最小波動(dòng)min=138 mm；當(dāng)設(shè)定值SV=160 mm時(shí)，液位最大波動(dòng)max=161 mm，液位最小波動(dòng)min=158 mm，調(diào)節(jié)時(shí)間ts=300 s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

比較常規(guī)PID算法在雙容水箱系統(tǒng)中的運(yùn)行結(jié)果與PSO-BP-PID算法在雙容水箱系統(tǒng)中的運(yùn)行結(jié)果，匯總結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表Tab.1 Summary table of experimental results

由表1可知，雙容水箱系統(tǒng)在常規(guī)PID算法下的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)范圍為4～5 mm，調(diào)節(jié)時(shí)間為360 s，而在PSO-BP-PID控制算法下，雙容水箱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)范圍只有3 mm，調(diào)節(jié)時(shí)間降低為300 s。

可見，對(duì)于雙容水箱液位定值控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PSO-BP-PID算法無(wú)論是在控制精度還是在系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間控制上都優(yōu)于常規(guī)PID算法。為實(shí)驗(yàn)室模擬復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)水箱的液位精準(zhǔn)控制問(wèn)題提供了一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

［1］胡應(yīng)占，趙德申，劉志剛，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID智能調(diào)速控制系統(tǒng)研究［J］.電氣開關(guān)，2007（4）:37-39，42.

［2］何芝強(qiáng).PID控制器參數(shù)整定方法及其應(yīng)用研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［3］THJ-2型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書［M］.杭州:浙江天煌實(shí)業(yè)有限公司，2008.

［4］降愛琴，郝秀芳.自動(dòng)控制原理及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教程［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

［5］韓月嬌.粒子群算法的改進(jìn)及其在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用［D］.南昌:南昌航空大學(xué)，2012.

［6］喬茂偉，韋永斌.基于PSO的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在液位控制中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀表，2012，27（9）:43-47.

［7］北京昆侖通泰自動(dòng)化軟件科技有限公司.MCGS高級(jí)開發(fā)指南［Z］.

［8］鄭雁.高級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用［D］.曲阜:曲阜師范大學(xué)，2008.

［9］研華科技股份有限公司.ADAM4000-5000快速入門手冊(cè)［Z］.

［10］孫亞燦.基于MATLAB與MCGS的先進(jìn)控制算法在工業(yè)過(guò)程中的研究應(yīng)用［D］.曲阜:曲阜師范大學(xué)，2007.

［11］鄭雁.高級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用［D］.曲阜:曲阜師范大學(xué)，2008.

Application of PSO-BP-PID Algorithm in Double Tank Water System

YANG Huawei1，PAZILAI·Mahemuti1，ZHANG Yi2
（1.College of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，Xinjiang，China；2.Turpan Power Supply Company of the State Grid，Turpan 838000，Xinjiang，China）

According to the requirement of liqued level control in industry，the double-tank level control system was designed，which used the existing instruments and equipment.Yanhua industrial controlling computer and EFAT/P process experimental system were choosed as platform，illustrated the reality of control system with software and hardware.The design of control algorithm was realized through the programming，using the MCGS configuration software，established the real-time monitoring，accomplished the practical of control system，analyzed and compared the result of traditional PID and PSO-BP-PID algorithm.It can provide a good platform for the research of liquid level control system.

double tank water；liquid level control；PSO-BP-PID algorithm；traditional PID algorithm；precise control

TP272

B

10.19457/j.1001-2095.20170518

2016-04-13

修改稿日期：2016-11-20

楊華偉（1990-），男，碩士研究生，Email:1214082943@qq.com